Mesurer le spin Qubit des électrons sans le démolir

science  photo

Un groupe de scientifiques du RIKEN Center for Emergent Matter Science au Japon a réussi à prendre des mesures répétées du spin d’un électron dans un point quantique de silicium (QD), sans modifier le spin dans le processus. Ce type de mesure “sans démolition” est important pour créer des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. Les ordinateurs quantiques promettent de faciliter l’exécution de certaines catégories de calculs, comme les problèmes à plusieurs corps, qui sont extrêmement difficiles et prennent beaucoup de temps pour les ordinateurs classiques. Il s’agit essentiellement de mesurer une valeur quantique qui n’est jamais dans un état unique comme un transistor conventionnel, mais qui existe au contraire comme un “état superposé” – de la même manière que l’on ne peut pas dire que le célèbre chat de Schrodinger soit vivant ou mort tant qu’il n’est pas observé. Grâce à de tels systèmes, il est possible d’effectuer des calculs avec un qubit qui est une superposition de deux valeurs, et de déterminer ensuite statistiquement quel est le résultat correct. Les ordinateurs quantiques qui utilisent des spins à un seul électron dans les QD du silicium sont considérés comme intéressants en raison de leur extensibilité potentielle et parce que le silicium est déjà largement utilisé dans la technologie électronique.

La principale difficulté, cependant, dans le développement des ordinateurs quantiques est qu’ils sont très sensibles au bruit extérieur, ce qui rend la correction des erreurs essentielle. Jusqu’à présent, les chercheurs ont réussi à développer des spins à un seul électron dans des QD en silicium avec un long temps de rétention de l’information et un fonctionnement quantique de haute précision, mais la mesure de non-démolition quantique – une clé pour une correction d’erreur efficace – s’est avérée insaisissable. La méthode classique de lecture des spins d’un seul électron dans le silicium consiste à convertir les spins en charges qui peuvent être rapidement détectées, mais malheureusement, le spin de l’électron est affecté par le processus de détection.

Aujourd’hui, dans le cadre de recherches publiées dans Nature Communications, l’équipe RIKEN a réussi à obtenir une telle mesure de non-démolition. L’idée clé qui a permis au groupe de progresser a été d’utiliser le modèle d’interaction de type Ising – un modèle de ferromagnétisme qui examine comment les spins des électrons des atomes voisins s’alignent, conduisant à la formation de ferromagnétisme dans l’ensemble du réseau. Essentiellement, ils ont pu transférer les informations de spin vers le haut ou vers le bas d’un électron dans un QD à un autre électron dans le QD voisin en utilisant l’interaction de type Ising dans un champ magnétique, et ont ensuite pu mesurer le spin du voisin en utilisant la méthode conventionnelle, de sorte qu’ils pouvaient laisser le spin original non affecté, et pouvaient effectuer des mesures répétées et rapides du voisin.

“Grâce à cela”, explique le directeur du groupe, Seigo Tarucha, qui a dirigé le groupe de recherche, “nous avons pu atteindre un taux de fidélité de 99% sans démolition, et en utilisant des mesures répétées, nous avons obtenu une précision de lecture de 95%. Nous avons également montré qu’en théorie, ce taux pourrait être porté à 99,6 %, et nous prévoyons de continuer à travailler pour atteindre ce niveau”.

Il poursuit : “C’est très excitant, car si nous pouvons combiner nos travaux avec des portes haute fidélité à un ou deux bits, qui sont actuellement en cours de développement, nous pourrions éventuellement construire divers systèmes de traitement de l’information quantique tolérants aux pannes en utilisant une plate-forme de points quantiques en silicium”.